基于FFT匹配濾波的空時(shí)RAKE接收機(jī)的性能研究

引 言

CDMA技術(shù)是無線通信中的關(guān)鍵技術(shù)，目前在IS-95系統(tǒng)、WCDMA、CDMA2000第三代移動(dòng)通信中均有應(yīng)用，然而提高CDMA系統(tǒng)容量仍然是研究的熱點(diǎn)問題。CDMA系統(tǒng)容量受限主要是由于分配給不同用戶的PN序列互相關(guān)不為零所引起的多址干擾（MAI）及用戶自身引起的白干擾（即多徑干擾，MPI）。因此，減少多用戶引起的MAI和多徑傳播引起的MPI，可以提高CDMA系統(tǒng)的容量。

CDMA系統(tǒng)中，為了減少多徑衰落的不利影響，一般在接收端采用具有多徑分集功能的RAKE接收機(jī)。隨著智能天線技術(shù)的出現(xiàn)，將天線陣的空域處理與傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)的時(shí)域處理相結(jié)合，即構(gòu)成空時(shí)RAKE（2-D RAKE）接收機(jī)。文獻(xiàn)［2］最初提出2-DRAKE的概念，這種接收機(jī)將空域和時(shí)域結(jié)合起來進(jìn)行信號(hào)處理，相對(duì)于傳統(tǒng)RAKE接收機(jī)而言，性能有較大改善，它可將天線陣接收到的期望用戶多徑信號(hào)合并到一起，同時(shí)獲得時(shí)間分集和空間分集的好處。但傳統(tǒng)的空時(shí)RAKE接收機(jī)不能有效地抑制多用戶CDMA系統(tǒng)中的多址干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)問題。

多級(jí)干擾抵消通過對(duì)干擾信號(hào)重構(gòu)并從接收信號(hào)中刪除來改善系統(tǒng)性能和容量，而自適應(yīng)天線通過將主波束指向期望用戶，并將零陷指向非期望用戶減少干擾，與期望用戶到達(dá)角不同的信號(hào)則被削弱。文獻(xiàn)［3］中，將干擾抵消技術(shù)與自適應(yīng)天線結(jié)合起來，使系統(tǒng)性能大有改善?？諘r(shí)RAKE接收機(jī)與干擾抵消結(jié)合起來稱為聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)，但是此種接收機(jī)的主要問題是計(jì)算復(fù)雜性比較高，解決此問題的一個(gè)方法就是進(jìn)行預(yù)波束賦形，利用FFT波束形成器形成正交波束，使得從不同角度獲取信號(hào)功率更容易，因此，2-D RAKE接收機(jī)所需要的指峰數(shù)將減少且系統(tǒng)性能無損耗。本文系統(tǒng)地比較了傳統(tǒng)2-D RAKE接收機(jī)，聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)，基于FFT匹配濾波的2-DRAKE接收機(jī)性能，主要從接收機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理出發(fā)進(jìn)行分析。

首先介紹接收機(jī)的信道模型及結(jié)構(gòu)，然后分析了各種接收機(jī)的性能，最后得出結(jié)論并討論其中存在的一些問題。

1 系統(tǒng)模型

多用戶直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式，則每一用戶的等效傳輸基帶信號(hào)為：

式中：N為信道多徑總數(shù)；αk，i是信道復(fù)衰落系數(shù)；τk，i為路徑延時(shí)

為每一陣元的相位偏移，θk，i為第k個(gè)用戶在第i條路徑的到達(dá)角，d為陣元間距（一般取λ／2，λ為載波波長）；τk，i為路徑延時(shí)，且θk，i和τk，i服從幾何單反射橢圓模型。因此，在第l個(gè)陣元接收到的信號(hào)為：

2 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

本文介紹三種接收機(jī)的結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)的2-D RAKE接收機(jī)，基于干擾抵消的2-D RAKE接收機(jī)和基于FFT的2-D RAKE接收機(jī)。

2．1 2-D RAKE接收機(jī)

在獲得信道的空時(shí)模型后，空時(shí)二維RAKE接收機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于可以利用信道的多徑結(jié)構(gòu)獲得路徑分集。傳輸信號(hào)的碼結(jié)構(gòu)使得接收機(jī)能夠在時(shí)域上分離大于碼片間隔Tc的多徑信號(hào)，這些信號(hào)通過最大比合并能夠提高輸出信干噪比（SINR）。利用陣列天線在分離多徑過程中加入新的空間維，使得分離多徑信號(hào)成為可能，即使這些信號(hào)在時(shí)域不可分離。因此，也就產(chǎn)生了2-D RAKE接收機(jī)的概念。接收端的接收信號(hào)如式（3）所示，2-D RAKE接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．2 聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)

聯(lián)合干擾抵消接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，每一個(gè)2-DRAKE接收機(jī)形成不同的波束指向各自的期望用戶。接收機(jī)所獲得的信道參數(shù)和信息比特反饋到干擾信號(hào)重構(gòu)單元，由于不同用戶有不同的波束指向，干擾抵消過程中所用到的信道參數(shù)和信息比特更準(zhǔn)確。2-DRAKE由L個(gè)1-D RAKE組成，每個(gè)1-D RAKE由M個(gè)指峰、干擾抵消單元和權(quán)值合并形成。這種結(jié)構(gòu)可使信號(hào)在波束賦形前將干擾刪除，且權(quán)值可以在于擾抵消后重新估計(jì)，以提供更高的準(zhǔn)確率。

2．3 基于FFT匹配濾波的空時(shí)干擾抵消接收機(jī)

從上述接收機(jī)結(jié)構(gòu)可知，其計(jì)算復(fù)雜度較高。為了減小這種復(fù)雜度，在2-D RAKE中預(yù)先進(jìn)行波束成形，利用預(yù)波束形成器實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波，則在進(jìn)一步處理之前可以分離多徑信號(hào)。因此，需要更少的指峰數(shù)也能達(dá)到同樣的效果。

圖3中采用了FFT波束形成器，2-D RAKE的接收信號(hào)為：

3 各種空時(shí)接收機(jī)的性能分析

上述2-D RAKE接收機(jī)中，陣列矢量

用來在空域匹配接收信號(hào)，所以它在特定空間方向的信號(hào)選擇上采用標(biāo)準(zhǔn)波束成形。一般來說，利用空間選擇性更高的濾波器在空間白噪聲和強(qiáng)干擾環(huán)境下尤為重要。在多址信道中，不同用戶被分配相互正交的碼，可選擇權(quán)向量wk，i為：

這樣可以使波束指向第k個(gè)用戶的第i條路徑。實(shí)際中，信號(hào)的多徑傳播和接收信號(hào)非嚴(yán)格地同步，使得各用戶碼之間的正交性很難嚴(yán)格滿足，這將會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)近效應(yīng)。傳統(tǒng)的RAKE接收機(jī)加入空間維將能減少遠(yuǎn)近效應(yīng)。2-D RAKE接收機(jī)中，采用并行的解調(diào)單元，在信道估計(jì)時(shí)把多徑干擾當(dāng)作噪聲采用濾波器進(jìn)行處理，而在合并時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)受到的多徑干擾未做處理。因此聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)，并利用具有排序功能的串行干擾抵消單元（SIC），將干擾信號(hào)從接收信號(hào)中刪除，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的誤碼率。

圖1中的加權(quán)輸出yk（t）包括期望用戶信號(hào)、多徑衰落引起的白干擾以及多用戶環(huán)境引起的多址干擾。為了克服共道干擾（CCI），利用信道參數(shù)和傳輸信息比特bj（k）的估計(jì)（bj（k）=sgn（yk（jTb）））重構(gòu)干擾信號(hào)。多級(jí)干擾抵消可以同時(shí)消除ISI和MAI?？諘r(shí)干擾抵消接收機(jī)要首先將所有用戶根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行排序，由大到小對(duì)各用戶進(jìn)行估計(jì)與對(duì)消，即從第一級(jí)開始檢測(cè)最強(qiáng)的用戶，第二級(jí)次之，直到最后一級(jí)檢測(cè)最弱的用戶。因此，每一級(jí)所檢測(cè)的信號(hào)為輸入信號(hào)中功率最大的用戶，但是其計(jì)算復(fù)雜度較高。

利用FFT匹配濾波的空時(shí)干擾抵消接收機(jī)可以解決這一問題。利用FFT變換使所有的信號(hào)處理均在空間頻率域進(jìn)行。這種接收機(jī)通過計(jì)算陣列信號(hào)矢量的FFT在空域進(jìn)行波束空間波束成形，形成多個(gè)確定波束。對(duì)每一確定波束而言，基于FFT的2-D RAKE接收機(jī)用來匹配期望用戶的擴(kuò)頻碼，然后合并空時(shí)域的信號(hào)能量。使用FFT波束形成器，由于其空域?yàn)V波性，使得多徑將根據(jù)不同到達(dá)角來區(qū)分。接收信號(hào)強(qiáng)度各不相同，即βk，i=αk，iejψk，i（l）·G（l，θ），則每一陣元僅搜集期望信號(hào)而削弱其他信號(hào)。與空時(shí)干擾抵消接收機(jī)相比，同樣條件下僅需要更少的指峰數(shù)即可達(dá)到相同的系統(tǒng)性能，且結(jié)構(gòu)及計(jì)算復(fù)雜度降低了。

基于以上分析，2-D RAKE接收機(jī)就是一種2-D匹配濾波器，權(quán)矢量wk，i也可以根據(jù)最小均方準(zhǔn)則（MMSE，需要提供參考信號(hào)），最大信噪比準(zhǔn)則（MaxS-NR，必須知道噪聲的統(tǒng)計(jì)量和期望信號(hào)的來波方向），最小二乘法準(zhǔn)則及最大似然準(zhǔn)則（ML）來確定。對(duì)于聯(lián)合空時(shí)干擾抵消接收機(jī)來說，也可以采取并行干擾抵消（PIC），其處理延遲小，但計(jì)算量大，所以可采用將SIC與PIC結(jié)合提高空時(shí)接收機(jī)的性能?；贔FT匹配濾波的空時(shí)干擾抵消接收機(jī)旨在減少計(jì)算復(fù)雜度，將信號(hào)處理在空間頻率域進(jìn)行，可以采取基4或分裂基FFT（將基2分解和基4分解結(jié)合在一起）更大地減少計(jì)算復(fù)雜度。

4 結(jié) 語

空時(shí)RAKE接收機(jī)充分利用了空域和時(shí)域信息，可以提高接收機(jī)的檢測(cè)性能。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)（如匹配濾波器和RAKE合并）將MAI和ISI視為噪聲，沒有利用多用戶以及多徑之間的信息，因此來自多址干擾和符號(hào)間干擾通常會(huì)導(dǎo)致誤碼率（BER）無法降低，大大降低通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量?？諘r(shí)2-D RAKE接收機(jī)和多用戶檢測(cè)技術(shù)能夠消除這兩種干擾，因此這兩種技術(shù)的結(jié)合也就成為研究的熱點(diǎn)。

2-D RAKE與PIC算法結(jié)合的空時(shí)多用戶檢測(cè)，盡管能夠很好地消除MAI與ISI，但是由于PIC缺少弱信號(hào)的能量信息，對(duì)弱信號(hào)檢測(cè)不理想，且不利于實(shí)際系統(tǒng)采用；2-D RAKE與SIC算法結(jié)合，其以降低強(qiáng)用戶檢測(cè)性能為代價(jià)改善接收機(jī)性能，然而這依賴于信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的用戶可靠的幅度估計(jì)，準(zhǔn)確度不好的幅度估計(jì)會(huì)導(dǎo)致性能增益的降低，甚至性能惡化。實(shí)際系統(tǒng)中，將SIC與PIC結(jié)合形成新的干擾抵消技術(shù)，組成混合型MUD接收機(jī)，通過對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行分類，減少多址干擾估計(jì)錯(cuò)誤。此技術(shù)與2-D RAKE及FFT結(jié)合可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)BER，減少計(jì)算復(fù)雜度。

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